Methoden zur Analyse, Bewertung und Modifikation
digitaler Höheninformationen für
Luftfahrtanwendungen
Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt
zur
Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte
Dissertation vorgelegt von
Dipl.-Ing. Gunther HEIDELMEYER aus Rüsselsheim
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. U. KLINGAUF Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. M. BECKER Tag der Einreichung: 22.01.2008
Tag der mündlichen Prüfung: 09.04.2008 Darmstadt 2008
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Flugsysteme und Regelungstechnik der Technischen Universität Darmstadt. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Klingauf, dem Leiter des Fachgebietes, für die Ermöglichung dieser Arbeit, insbesondere für die stetige Unterstützung, die er mir während der Erstellung zuteil werden ließ. Für die freundliche Übernahme des Koreferates möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Becker vom Institut für Physikalische Geodäsie herzlich bedanken. Des weiteren möchte ich mich bei Herrn Prof. em. Dr.-Ing. W. Kubbat bedanken, der mich am Institut aufgenommen und somit den Beginn meiner Forschungs-tätigkeiten ermöglicht hat.
All meinen Kollegen am Institut für Flugsysteme und Regelungstechnik, insbesondere der Forschungsgruppe Luftfahrtdatenbanken, möchte ich für die gemeinsame Zeit Dank sagen. Eine besondere Erwähnung gebührt Britta Eilmus, Andreas Sindlinger sowie Axel Friedrich, die durch ihre stetige Unterstützung, Diskussion und Motivation maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.
Ebenfalls möchte ich meinem Diplomanden Andreas Paul sowie meiner studentischen Hilfskraft Herve Simo Fhom danken, die mit ihren Arbeiten zu den Ergebnissen dieser Dissertation beigetragen haben.
Weiterhin möchte ich mich bei der Hessischen Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation (HVBG), namentlich Herrn Carsten Dorn sowie der Bayerischen Vermes-sungsverwaltung (BVV) bedanken, ohne deren Unterstützung die vorliegende Arbeit nicht möglich gewesen wäre.
Meiner Familie, ausdrücklich meiner Frau Kristin sowie meinen Eltern, möchte ich für die stetige Unterstützung und ihr Vertrauen danken, das sie mir während meines Studiums und der Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter entgegen gebracht haben. Mein abschließender Dank gilt „OK“ für seine gewissenhafte Korrektur der Arbeit sowie der Übernahme der angefallenen Kosten für die Drucklegung.
Ich versichere an Eides statt, daß ich diese Arbeit mit Ausnahme der ausdrücklich erwähnten Hilfen selbständig durchgeführt habe.
Übersicht
In der Luftfahrt gewinnen digitale Höhenmodelle an immer größerer Bedeutung. Inzwischen existiert eine Vielzahl von Luftfahrtanwendungen, die auf Geländeinformationen zurückgreifen. Das Spektrum solcher Applikationen reicht von bodenseitigen Systemen zur Flugplanung und -überwachung bis hin zu flugzeuggetragenen Systemen, die unter anderem das Situationsbewußtsein der Cockpitbesatzung erhöhen sollen. Um eine Vereinheitlichung der Qualität sowie der Formate und Inhalte der Datensätze sicherzustellen, wurden für die zivile Luftfahrt durch die ICAO wie auch die RTCA/EUROCAE Anforderungen an digitale Höheninformationen spezifiziert, die einen sicheren Betrieb des Flugzeuges auch während der bodennahen Flugphasen gewährleisten sollen.
Allerdings ist die Verfügbarkeit adäquater Datensätze begrenzt. Geländeinformationen, die heute die geforderten Genauigkeiten anbieten können, bedienen sich Verfahren der flugzeuggetragenen Laser bzw. Radarvermessung, die sehr arbeitsaufwendig und damit kostenintensiv sind. Somit werden entsprechende Verfahren zumeist für die Vermessung begrenzter Flächen verwendet. Dies hat zur Folge, daß selbst in Industrieländern keine landesweite Abdeckung gewährleistet ist, obwohl entsprechende Geländedaten hoher Genauigkeit und Integrität mit praktisch globaler Flächendeckung benötigt werden.
Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, werden in dieser Arbeit Methoden aufgezeigt, die eine Bewertung und Bereitstellung von Geländedaten sicherstellen, die den Anforderungen der ICAO und RTCA/EUROCAE genügen. Hierzu werden primär keine kosten- und zeitintensiven Sonderanfertigungen betrachtet, sondern Datenprodukte kostengünstiger Systeme mit globaler Abdeckung so modifiziert, daß sie auch zum Einsatz bei sicherheitskritischen Luftfahrtanwendungen geeignet sind.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden existierende Geländedatensätze verschiedener Quellen betrachtet, wobei die während der SRTM Mission aus dem Weltall aufgezeichneten Radarhöhendaten von besonderem Interesse sind, da diese weltweit verfügbare Datensätze gleicher Eigenschaften ermöglichten. Diesen Datensätzen werden mittels flugzeuggetragenen Laserscanningsystemen gewonnene Höhenmodelle gegenübergestellt. Bei allen genannten Technologien handelt es sich um aktive Systeme, die eine künstliche Strahlung erzeugen, welche von der Erdoberfläche reflektiert und von einem Empfänger aufgezeichnet wird. Die Qualität der zurückgestreuten Signale wird von den Eigenschaften der vermessenen Oberflächen beeinflußt und hat somit einen unmittelbaren Einfluß auf die Qualität der aufgezeichneten Informationen.
Um eine tiefergehende Bewertung der Qualität der untersuchten Geländedaten vornehmen zu können, werden die Höheninformationen Kontrollpunkten wie auch gesamten Datensätzen gegenübergestellt. Die auftretenden Fehler werden quantifiziert und die maßgeblichen Einflußfaktoren ermittelt. Basierend auf diesen Ergebnissen können entsprechende Fehlerschranken abgeleitet werden. Liegt der erkannte Fehler über den von der ICAO und RTCA/EUROCAE geforderten Genauigkeiten, werden, basierend auf den ermittelten Fehlerschranken, Sicherheitsmargen, sogenannte „Safety Buffer“ definiert und auf das Höhenmodell addiert. Diese Modifikation der Höhenmodelle erfolgt zum einen durch pauschale Puffer. Zum anderen werden partielle Puffer verwendet, welche den Einfluß von Oberflächenbedeckung, Geländesteigung wie auch der Intensität des Radarechos berück-sichtigen. Die abschließende Verifikation der modifizierten Datensätze zeigt, daß eine Anpassung der Höhendaten hinsichtlich eines Erreichens der gewünschten Genauigkeit möglich ist. Allerdings ist eine weitergehende Angleichung des verwendeten Verfahrens an die Charakteristik der untersuchten Datensätze notwendig, um das Einhalten der angestrebten Fehlerschranken unter allen Umständen sicherzustellen und somit eine sichere Nutzung für Luftfahrtanwendungen zu gewährleisten.
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen ... v
1 Einführung ... 1
1.1 Motivation... 1
1.2 Eigenschaften verschiedener Missionstypen in der Luftfahrt ... 2
1.2.1 Fliegen im kontrollierten Luftraum (IFR)... 2
1.2.2 Tiefflug und Geländefolgeflug... 4
1.2.3 Search and Rescue Missionen (SAR) ... 6
1.2.4 Diskussion ... 7
1.3 Struktur der vorliegenden Arbeit... 7
2 Digitale Höhenmodelle ... 9
2.1 Darstellungsweisen eines DHM... 9
2.1.1 Digitale Geländemodelle (DGM)... 10
2.1.2 Digitale Oberflächenmodelle (DOM) ... 10
2.1.3 Digitales Höhenmodell als reflektierte Oberfläche... 11
2.2 Generierungsmethoden... 12
2.2.1 Erfassung über Luft-/ Satellitenbilder (Stereo-Photogrammetrie)... 12
2.2.2 Erfassung über Radarsysteme ... 21
2.2.3 Erfassung mit Laserscanning (LIDAR) ... 28
2.2.4 Fehlertypen in Geländemodellen ... 30
2.3 Organisationsformen von digitalen Höhenmodellen ... 31
2.3.1 Reguläre Gitter ... 31
2.3.2 Irreguläre Gitter (Dreiecksnetze) ... 33
2.3.3 Höhenlinien ... 34
2.4 Erdmodelle und Bezugssysteme... 35
2.4.1 Horizontale Bezugssysteme ... 36
2.4.2 Vertikale Bezugssysteme ... 37
3 Anwendungsgebiete von Geländedaten in der Luftfahrt ... 39
3.1 Internationale Standards... 39
3.1.1 User Requirements for Terrain and Obstacle Data (RTCA/DO-276A)... 40
3.1.2 ICAO Annex 15 - Aeronautical Information Services... 47
3.1.3 Standards for Processing Aeronatical Data (RTCA/DO-200A) ... 48
3.1.4 Diskussion ... 48 3.2 Geländewarnsysteme (TAWS) ... 50 3.2.1 T²CAS ... 51 3.2.2 EGPWS ... 52 3.3 Synthetische Sichtsysteme (SVS) ... 52 3.4 Luftfahrtkarten ... 54
3.5 Geländedaten in der Verfahrensplanung... 55
4 Konzeption zur Qualitätssteigerung von Geländedaten... 57
4.1 Parameter zur Bewertung digitaler Höhenmodelle ... 58
4.1.2 Integrität ... 58
4.1.3 Genauigkeit ... 59
4.1.4 Mittlere Abweichung ... 60
4.1.5 Standardabweichung ... 60
4.2 Erstellung eines „Safety Buffers“ ... 60
4.2.1 Abgrenzung der Anwendbarkeit ... 61
4.2.2 Szenario zur Verifizierung des Verfahrens ... 62
4.3 Untersuchte Geländemodelle ... 63
4.3.1 SRTM SAR-X und SIR-C Geländemodelle ... 63
4.3.2 Laser-Scanning Höhenmodelle ... 65 4.3.3 Photogrammetrisches Referenzhöhenmodell... 67 4.3.4 DGM5 Höhenmodelle... 67 4.4 Untersuchungsgebiete ... 68 4.4.1 Bereich Michelstadt/Odenwald... 68 4.4.2 Bereich Pfronten/Ostallgäu ... 69
4.5 Methoden zur Bewertung von Geländemodellen ... 70
4.5.1 Verifizierung mit Hilfe von Kontrollpunkten ... 70
4.5.2 Verifizierung mit Hilfe von Referenzgeländemodellen... 71
4.6 Einfluß der Oberflächeneigenschaften... 72
4.6.1 Geländerauhigkeit ... 72
4.6.2 Oberflächenbedeckung... 73
4.6.3 Reflektionsintensität... 75
5 Realisierung... 79
5.1 Anpassung der Formate und Verifizierung der Referenzdaten ... 79
5.1.1 Angleichung der Bezugssysteme ... 79
5.1.2 Verifizierung der Referenzgeländemodelle ... 80
5.2 Verifizierung der zu untersuchenden Geländemodelle ... 84
5.2.1 Bestimmung der Qualitätsparameter mit Hilfe von Kontrollpunkten... 85
5.2.2 Verifizierung mit Hilfe von Referenzgeländemodellen... 88
5.2.3 Analyse des Einflusses der Oberflächenbedeckung... 95
5.2.4 Analyse des Einflusses der Geländeneigung (-rauhigkeit) ... 101
5.2.5 Analyse des Einflusses der Reflektionsintensität... 104
5.3 Definition und Addition eines „Safety Buffers“ ... 108
5.3.1 Addition eines pauschalen Puffers ... 109
5.3.2 Addition des partiellen Puffers der topographischen Analyse... 111
5.3.3 Addition des partiellen Puffers der Geländeneigungsanalyse... 115
5.3.4 Addition des partiellen Puffers der Reflektionsintensitätsanalyse... 122
6 Bewertung der Ergebnisse ... 125
6.1 Bewertung der untersuchten Datensätze ... 125
6.1.1 Bewertung der Referenzdaten ... 125
6.1.2 Bewertung der LIDAR Höhenmodelle ... 128
6.1.3 Bewertung der SRTM X-Band Höhenmodelle ... 129
6.1.4 Bewertung der SRTM C-Band Höhenmodelle ... 131
Inhaltsverzeichnis
7 Zusammenfassung und Ausblick ... 135
Quellenverzeichnis ... 139
Abbildungsverzeichnis... 145
Abkürzungen
ACAS Airborne Collision Avoidance System AIP Aeronautical Information PublicationAIRAC Aeronautical Information Regulation and Control ALS Airborne Laser Scanner
AMDB Aerodrome Mapping Database ARP Aerodrome Reference Point
A-SMGCS Advanced Surface Movement Guidance and Control System ATKIS Amtliches Topographisch-Kartographische Informationssystem BMVBS Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung CAD Computer Aided Design
CEP Circular Error Probability CFIT Controlled Flight Into Terrain CPA Collision Prediction and Alerting DEM Digital Elevation Model
DGM Digitales Geländemodell
DGPS Differential GPS
DH Decision Height
DHM Digitales Höhenmodell
DIN Deutsches Institut für Normung e.V. DLM Digitales Landschaftmodell DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DOM Digitales Oberflächenmodell DSM Digital Surface Model
DTED Digital Terrain Elevation Data DTM Digital Terrain Model
ECOSOC Economic and Social Council EGM96 Earth Geopotential Model 1996
EGPWS Enhanced Ground Proximity Warning System
ESRI Environmental Systems Research Institute EUROCAE European Organisation for Civil Aviation Equipment FAA Federal Aviation Administration
FMS Flight Management System
FSR Institut für Flugsysteme und Regelungstechnik (TUD) GCAM Ground Collision Avoidance Module
GCAS Ground Collision Avoidance System
GIS Geographisches Informationssystem GPS Global Positioning System
GPWS Ground Proximity Warning System
HLVA Hessisches Landesvermessungsamt
HVBG Hessische Verwaltung für Bodenmanagement und Geoinformation ICAO International Civil Aviation Organization
IFR Instrument Flight Rules (Instrumentenflugregeln) IFSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar
ILS Instrument Landing System INS Inertiales Navigationssystem ISO International Organization for Standardization ITRF International Terrestrial Reference Frame ITRS International Terrestrial Reference System LEP Linear Error Probability
LIDAR Light Detection and Ranging MSAW Minimum Safe Altitude Warning MSL Mean Sea Level
NASA National Aeronautics and Space Administration
ND Navigation Display
NDB Non Directional Beacon
NGA National Geospatial-Intelligence Agency NIMA National Imagery and Mapping Agency PFD Primary Flight Display
RADAR Radio Detection and Ranging
RMS Root Mean Square
RNAV Area Navigation
RNP Required Navigation Performance
RTCA Radio Technical Commission for Aeronautics RVR Runway Visibility Range
SAR Synthetic Aperture Radar
SAR Search and Rescue
SARP Standards and Recommended Practices SIR Spaceborne Imaging Radar SRTM Shuttle Radar Topographic Mission SVS Synthetic Vision System
T²CAS Terrain and Traffic Collision Avoidance System TAWS Terrain Awareness and Warning System
TCAS Traffic Collision Avoidance System TIN Triangulated Irregular Network
TMA Terminal Manouvering Area TSO Technical Standard Order
TUD Technische Universität Darmstadt USGS United States Geological Survey VFR Visual Flight Rules (Sichtflugregeln)
VOR Very High Frequency Omnidirectional Radio Range (Drehfunkfeuer) WGS84 World Geodetic System 84
1 Einführung
1.1 Motivation
In der Luftfahrt gewinnen Geodaten an immer größerer Bedeutung. Unter Geodaten versteht man digitale räumliche Informationen, denen, eingebettet in ein Koordinatensystem mit einem dazugehörigen Bezugsmodell der Erdoberfläche, eine bestimmte Lage im Raum zugewiesen werden kann. Von besonderer Bedeutung für die Luftfahrt sind hierbei Navigations-, Gelände-, Flughafen- und Hindernisdaten. Aufgrund ihrer operationellen Bedeutung und somit sicherheitsrelevanten Auswirkung, ist es allerdings notwendig, eine gleichbleibend hohe Genauigkeit, Vollständigkeit und Integrität zu gewährleisten. Aus diesem Grund wurden für die zivile Luftfahrt durch die ICAO, wie auch die RTCA und EUROCAE Anforderungen definiert, die einen sicheren Flugbetrieb während aller Flugphasen eines Passagierflugzeuges garantieren sollen. Dabei befinden sich kommerziell betriebene Verkehrsflugzeuge üblicherweise vom Start bis zur Landung stets in einem durch die Flugsicherung überwachten Luftraum, der ein von Hindernissen und Fremdverkehr freies Operieren gewährleisten soll. Kritischer hingegen gestaltet sich ein Fliegen außerhalb der kontrollierten Lufträume. Solche Flugbewegungen werden von Luftfahrzeugen durchgeführt, die in unmittelbarer Bodennähe operieren. Hierbei handelt es sich in der Regel um Hubschrauber, Militärflugzeuge, aber auch unbemannte Flugobjekte, wobei letztere zukünftig an Bedeutung gewinnen werden. Um eine Gefährdung oder sogar einen Verlust des Flugzeuges zu verhindern, wurde eine Vielzahl von Systemen entwickelt, die ein sicheres und effektiveres Planen der Flugroute ermöglichen, aber auch das Situationsbewußtsein der Cockpitbesatzung erhöhen sollen. Grundlage hierzu stellt die Verfügbarkeit von digitalen Höheninformationen hoher Genauigkeit und Integrität dar. Idealerweise geben diese Höheninformationen in der Luftfahrt die Erdoberfläche samt seiner Bedeckung als „Digitales Oberflächenmodell“ (DOM) wieder, da bei einer solchen Darstellungsweise zumindest Hindernisse größerer Ausdehnung wie Wälder und Stadtgebiete enthalten sind.
Auf dem Markt erhältliche globale Geländedatensätze sind allerdings für die Luftfahrt meist nur begrenzt nutzbar und für bodennahe Flugbewegungen weitgehend ungeeignet. Jene Geländeinformationen, die heutzutage die geforderten Genauigkeiten anbieten können, bedienen sich Verfahren der flugzeuggetragenen Laser- bzw. Radarvermessung, die allerdings sehr kostenintensiv sind. Aus diesem Grund werden mit solchen Systemen meist nur begrenzte Flächen vermessen, so daß selbst in Industrieländern nicht einmal eine flächendeckende Abdeckung gewährleistet ist.
Wie aus nationalen und internationalen Forschungsarbeiten am Institut für Flugsysteme und Regelungstechnik (FSR) an der Technischen Universität Darmstadt hervorgeht, besteht eine stetig wachsende Nachfrage an Gelände- und Hindernisdaten hoher Genauigkeit und Integrität mit möglichst globaler Abdeckung, wie sie unter anderem durch die RTCA/EUROCAE und ICAO gefordert werden. Neben der zivilen Luftfahrt sind solche Informationen auch für militärische Operationen wie auch für SAR (Search and Rescue) Missionen in weltweiten Katastrophengebieten von besonderem Interesse.
Um dieser zunehmenden Nachfrage gerecht zu werden, soll in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren aufgezeigt werden, welches eine Bereitstellung von Geländedaten sicherstellen kann, die auch den speziellen Anforderungen der Luftfahrt genügen. Hierzu sollen keine kosten- und zeitintensiven Sonderanfertigungen betrachtet werden, sondern Produkte etablierter und kostengünstiger Systeme so modifiziert werden, daß diese auch zum Einsatz in sicherheitskritischen Luftfahrtanwendungen geeignet sind.
Um dies zu erreichen, sollen existierende Geländedatensätze verschiedener Herstellungs-weisen analysiert werden, wobei hier die während der SRTM Mission im Jahr 2000
gewonnenen Radarhöhendaten der DLR (X-Band) und NASA (C-Band) von besonderem Interesse sind, da diese Systeme aus dem Weltall betrieben wurden und somit unabhängig von nationalen Interessen weltweite Datensätze gleicher Qualität erzeugen konnten. Daneben sollen Höheninformationen untersucht werden, die mittels Laseraltimetrie generiert wurden. Verfahren des Laserscannings werden flugzeuggestützt betrieben und sind dadurch ungeeignet, weltweite Geländemodelle bereitzustellen. Dennoch erfreut sich diese Techno-logie zunehmend großer Beliebtheit, da dieses System Daten höchster Auflösung und Genauigkeit liefern kann.
Bei allen oben genannten Technologien handelt es sich um aktive Systeme. Im Gegensatz zu passiven Systemen, wie z.B. der Photographie, erzeugen die aktiven Systeme eine künstliche Strahlung (Mikrowellen bzw. Licht), welche von der Erdoberfläche reflektiert wird. Auf der Basis der Laufzeitmessung kann die Entfernung des bestrahlten Objektes und somit seine Höhe bestimmt werden, sofern die exakte Position des Systemträgers bekannt ist. Allerdings weisen entsprechend aktive Sensoren einen für die Luftfahrt sicherheitskritischen Aspekt auf. Die ausgesendete Strahlung dringt in die Oberfläche ein, was dazu führt, daß die aufgenommenen Höhendaten nicht exakt die Oberfläche der vermessenen Objekte wieder-geben. Weist die bestrahlte Oberfläche jedoch eine signifikante Höhe auf, dringt je nach Art und Dichte der Oberflächenbedeckung, die Strahlung allerdings auch nicht bis zum Boden durch, was zur Folge hat, daß ebenfalls kein digitales Geländemodell (DGM) bereitgestellt werden kann. Das am Ende vorliegende Geländemodell stellt somit die Reflektionshöhe des vermessenen Gebietes dar und nicht die wirkliche Oberfläche (DOM).
Um letztlich eine tiefgreifende Bewertung der Qualität von auf diesem Weg gewonnenen Höhendaten vornehmen zu können, sollen in der vorliegenden Untersuchung die maßgeb-lichen Einflußfaktoren bestimmt und quantifiziert werden, um schließlich entsprechende Fehlerschranken abzuleiten. Hierzu sollen die Höhenmodelle mit Referenzdaten hoher Genauigkeit und Integrität in zwei Untersuchungsgebieten abgeglichen werden. Als Referenz sollen zum einen Kontrollpunkte, aber auch ganze Geländemodelle herangezogen werden. Sind die Fehlerschranken bekannt, soll abhängig von der jeweils geforderten Genauigkeit eine Sicherheitsmarge, der sogenannte „Safety Buffer“, auf das Höhenmodell gelegt werden, um eine entsprechende Sicherheit beim Überfliegen des reellen Geländeabschnittes zu sichern.
1.2 Eigenschaften verschiedener Missionstypen in der Luftfahrt
In der Luftfahrt existiert eine Vielzahl verschiedener Missionstypen. Diese Flugbewegungen erfüllen zum Teil sehr unterschiedliche Aufgaben. Diese reichen von dem Transport von Passagieren und Waren in dem von der Flugsicherung kontrollierten Luftraum bis hin zu bodennahen militärischen Operationen, wie dem Tiefflug bzw. dem „Terrain Following“. Daneben existieren Mischformen der verschiedenen Missionstypen wie sie oftmals beim Einsatz von SAR Helikoptern vorgefunden werden.
Im Folgenden werden einige Arten von Flugmissionen vorgestellt und die unbedingte Notwendigkeit von Geländedaten hoher Genauigkeit und Integrität während einzelner Flugphasen dargestellt. Ebenfalls sollen Gemeinsamkeiten zwischen den einzelnen Einsatz-möglichkeiten identifiziert werden, um eine Vergleichbarkeit der Anforderungen herstellen zu können.
1.2.1 Fliegen im kontrollierten Luftraum (IFR)
Der operative Betrieb eines Flugzeuges im kontrollierten Luftraum zeichnet sich dadurch aus, daß alle Flugphasen durch die Flugsicherung begleitet werden. Ziel ist es, in Regionen von konzentrierten Flugbewegungen, eine Regelung des Flugbetriebes zu erreichen. Auch wenn Flüge nach Sichtflugregeln im kontrollierten Luftraum möglich sind, werden hier die Flugbewegungen betrachtet, die nach den Instrumentenflugregeln durchgeführt werden wie sie bei Linienflugzeugen üblich sind [WAL06].
1.2. 8BEigenschaften verschiedener Missionstypen in der Luftfahrt
Besonders kritisch ist hierbei der unmittelbare Nahbereich von Verkehrsflughäfen, in dem das Starten und Landen erfolgt. Ebenfalls kritisch ist die weitere Umgebung der Flughäfen, in deren Umfeld das Einfädeln und Vorordnen der Streckenflüge in den Anflug und umgekehrt das Einordnen der Abflüge in den Streckenverkehr durchgeführt werden [Her75].
Die einzelnen Flugphasen können nach [Wal06] in die in Abbildung 1.1 dargestellten Abschnitte unterteilt werden.
Abbildung 1.1: Flugphasen eines Fluges im kontrollierten Luftraum [nach Wal06]
Auch wenn neue Technologien und Prozeduren, sowohl bei der Flugkoordinierung und Flugplanung am Boden wie auch der eigentlichen Flugdurchführung, im Cockpit eingeführt wurden, kam es in den vergangenen Jahren immer wieder zu fatalen Verlusten in der zivilen Luftfahrt [FSF99].
Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Flugzeug verunfallt ist maßgeblich von der Flugphase abhängig, in der sich ein Flugzeug befindet. Während der Streckenflug die weitaus längste Phase eines zivilen Fluges darstellt, kommt es nach [Boe06] nur zu 6% aller Unfälle. Die mit Abstand kritischste Phase eines Fluges stellt die Landung dar. Hierbei ereignen sich nach [Boe06] 46% aller Unglücke, wobei es nur zu 2% der tödlichen Unfälle kommt. Betrachtet man die in Abbildung 1.2 erhobene Statistik der Unfälle von gewerblich betriebenen Flugzeugen im Zeitraum von 1996 bis 2005, zeigt sich, daß die kritischen Phasen eines Fluges hinsichtlich eines fatalen Unglückes das Erreichen und Verlassen der Reiseflughöhe darstellen.
Insgesamt konnte als Hauptursache für Flugunfälle in der kommerziellen Luftfahrt der sogenannte „Controlled-Flight-Into-Terrain“ (CFIT) identifiziert werden. Fast 25%, und zwar 57 von 237 aller gemeldeten Vorkommnisse in den Jahren 1987 bis 2005, fielen in diese Kategorie [Boe06]. Bei dieser Art von Unfällen führt trotz eines technisch einwandfreien und korrekt funktionierenden Flugzeuges die Desorientierung der Cockpitcrew zu einer Kollision mit dem Gelände, Hindernissen oder Wasser. Die Desorientierung des Piloten ist dabei in der Regel auf eine fehlerhafte Interpretation der Instrumente oder einfach Unkenntnis des umgebenden Geländes zurückzuführen [May01] [Wie06].
Um gerade dieser Tatsache Rechnung zu tragen, sind seit zwei Jahrzehnten automatisierte Warnsysteme mit Darstellungskomponenten und 3D-Flugführungsanzeigen (Synthetic Vision Systems (SVS)) Inhalt vielfältiger Untersuchungen und Forschungsaktivitäten [Pur00] [Wie06]. Auch die Entwicklung von automatischen Warnsystemen, die zur Vermeidung von Flugzeugkollisionen (Traffic Alert and Warning System (TCAS)) und der gefährlichen Annäherung an umliegendes Gelände (Terrain Avoidance Warning System (TAWS)) eingeführt wurden, soll die Anzahl der Flugunfälle dezimieren [FSF99]. Ein bereits
erhältliches serienreifes Geländewarnsystem, welches den Piloten durch eine voraus-schauende Geländewarnfunktion unterstützt, ist seit 1996 durch das Enhanced Ground Proximity Warning System (EGPWS) von Honeywell verfügbar [Hon07].
Um die notwendige Zuverlässig der Warnsysteme, die eine Kollision mit dem Gelände vermeiden soll, zu erreichen, ist das Vorhandensein von Geländedatenbanken hoher Genauigkeit und Integrität eine notwendige Voraussetzung. In Abhängigkeit von der Flugphase, und somit einhergehend mit dem Unfallrisiko, steigen die Anforderungen an die verwendeten Geländedatenbanken [ICA04] [RTC05a].
Abbildung 1.2: Unfälle nach Flugphasen 1996 bis 2005 [Boe06]
1.2.2 Tiefflug und Geländefolgeflug
Der Tiefflug stellt eine spezielle Form des Flugbetriebes dar. Tiefflüge finden hauptsächlich bei militärischen Einsätzen Anwendung, wobei eine „Search and Rescue“ (SAR) Mission durchaus Flugabschnitte des Tieffluges beinhaltet, aber dennoch zivile Anwendung findet [FLI98][BDV91].
Ziel des Tieffluges ist es, neben dem Absetzen bzw. Aufnehmen von Personen und Gegenständen, die gegnerische Luftabwehr bzw. Radar zu unterfliegen und somit ein Höchstmaß an Überlebensfähigkeit sicherzustellen. Auch in der Zeit der weltweiten Satellitenerfassungsmöglichkeit ist diese Option des Operierens unverzichtbar [FLI98].
1.2.2.1 Militärischer Tiefflug
Der Tiefflug kann mit strahlgetriebenen Kampflugzeugen, aber auch mit Transport-luftfahrzeugen sowie Hubschraubern, praktiziert werden. Da der Tiefflug üblicherweise unter Sichtflugbedingungen erfolgt, werden in Abhängigkeit von Luftfahrzeit und Tageszeit unterschiedliche Mindestflughöhen definiert, die im Folgenden kurz erläutert werden sollen [FLI98]:
a) Strahlgetriebene Kampflugzeuge:
Der Tiefflugbetrieb am Tag wird nicht an bestimmte Streckenführungen oder Korridore gebunden, sondern erfolgt nach freier Streckenplanung, um eine möglichst weitgehende Verteilung des Tiefflugaufkommens zu erreichen. Die hierbei zulässige Mindesthöhe für
1.2. 8BEigenschaften verschiedener Missionstypen in der Luftfahrt
strahlgetriebene Kampfflugzeuge beträgt grundsätzlich 300 Meter (≈ 1000 ft) über Grund. In speziellen „Low Flying Areas“ (LFA) können in Einzelfällen Tiefflugmanöver in Höhen von bis zu 75 Meter (≈ 250 ft) über Grund durchgeführt werden [FLI98] [AFB07].
Der Nachttiefflug wird zur Sicherung des sonstigen Nachtflugverkehrs in einem Nachttiefflugsystem in Form von festen Korridoren durchgeführt. Die Mindestflughöhe beträgt 300 Meter (≈ 1000 ft) über Grund auf den dafür zugelassenen Streckenabschnitten [FLI98] [AFB07].
b) Transportflugzeuge
Im Rahmen des Lufttransports werden Fallschirmspringer, Lasten und Hilfsgüter auch aus niedriger Höhe abgesetzt. Der Tiefflug bietet dabei ein Höchstmaß an Überlebensfähigkeit. Die Mindestflughöhe für Transportluftfahrzeuge beträgt in Deutschland grundsätzlich 300 Meter über Grund [FLI98].
c) Hubschrauber
Die Mindestflughöhe für den Tiefflug von Hubschraubern im Personentransport beträgt 30 Meter (≈. 100ft) über Grund oder Wasser. Mit besonderem Auftrag darf auf festgelegten Strecken bzw. in festgelegten Trainingsgebieten nach den Erfordernissen des Einsatzes bis zur Schwebeflughöhe, d.h. ca. 3 Meter über Grund oder Wasser, geflogen werden. Hindernisse wie Hochspannungsleitungen und Brücken dürfen aus taktischen Gründen im Einsatz und Übungsflugbetrieb unterflogen werden. In der Nacht beträgt die Mindestflughöhe für Tiefflüge ohne Nutzung der Restlichtverstärkerbrille grundsätzlich 150 Meter über Grund oder Wasser (≈. 500ft), mit Restlichtverstärkerbrille auch darunter und zwar bis ca. 3 Meter über Grund oder Wasser [FLI98].
Neben der visuellen Orientierung mit Hilfe von traditionellen Navigationseinrichtungen eines Flugzeuges beim Tiefflug stehen Applikationen zur besseren Orientierung und Erhöhung des Situationsbewußtseins des Piloten hinsichtlich seines Zustandes im Raum zur Verfügung. Diese Verfahren der „Synthetischen Sichtsysteme“ wie auch der Geländewarnsysteme werden zu einem späteren Zeitpunkt in dieser Arbeit beschrieben.
1.2.2.2 Automatischer Tiefflug / Geländefolgeflug
Applikationen zum automatischen Tiefflug bzw. Geländefolgeflug stellen dem Piloten wie auch dem Autopiloten Informationen über die notwendige Steig- oder auch Sinkrate zur Verfügung, damit das Flugzeug so nah wie möglich die ausgewählte Flughöhe über dem Bodenprofil hinsichtlich des Flugvektors beibehalten kann [NAT07].
Neben den bereits vorgestellten Verfahren des visuell orientierten Tieffluges unter Tag- und Nachtbedingungen existieren Systeme der automatischen Tiefflugführung, wie sie zur Zeit von der EADS Military Air Systems für den Militärtransporter Airbus A400 entwickelt werden [EAD07].
Mit dem sogenannten Terrain Masking Low Level Flight (TMLLF) System können die Airbus A400 Transportflugzeuge sehr knapp über dem Boden, bei guter Sicht in nur 150 ft Höhe, fliegen und sind somit in bergigem Gelände vor Bedrohungen besser geschützt. Bei schlechter Sicht sind 500 ft Flughöhe bei automatischer Flugführung möglich. Ziel des TMLLF ist es, die Risiken während Missionen über feindlichem Gebiet zu minimieren. Dies wird durch die Aufbereitung und Darstellung der taktischen Lage sowie durch eine durchgängige Prozeßkette von der Flugwegplanung bis zur Ausführung erreicht. Das System plant automatisch und autonom die optimale Route. Dabei wird errechnet, wie Gebiete, in denen der A400M für feindliche Sensoren sichtbar ist, vermieden werden. Das System gibt, angepaßt an die Geländetopographie, die beste Streckenführung vor. Um den optimierten Trajektorien folgen zu können, hat EADS Military Air Systems einen Autopiloten entwickelt, der mit einem Flight Director und einer automatischen Schubregelung kombiniert ist. Sämtliche Informationen zur Planung einer sicheren Strecke werden zusammengeführt und so
aufbereitet, daß die Crew mit Hilfe einer Gefahrenkarte sofort erfassen kann, wie das TMLLF-System den A400M um Gefahrenzonen herumführt [EAD07] [Pal04].
Das TMLLF wird auf eine vorprozessierte Datenbank zur Berechnung von Gelände- und Gefahrendaten zurückgreifen, in der hochgenaue Geländedaten hinterlegt sind. Diese Daten werden durch die Komponenten des Pre-Processings von Flugrouten, der Flugroutenverwaltung, den visuellen Anzeigesystemen sowie der Flugsteuerung und Flugkontrolle des Systems genutzt [Pal04].
1.2.3 Search and Rescue Missionen (SAR)
Ursprünglich für die Suche und Rettung (SAR) von abgestürzten oder notgelandeten Luftfahrzeugen konzipiert, entwickelte sich der SAR-Dienst zu einer nationalen Aufgabe und einem wesentlichen Bestandteil des medizinischen Notversorgungssystems der Bundes-republik Deutschland. Diese Aufgabe wird auf dem Luftweg neben zivilen Hubschraubern auch von der Luftwaffe wahrgenommen [FLI98].
Der Einsatzflugbetrieb im SAR- und zivilen Rettungsdienst unterliegt grundsätzlich den geltenden Flugbetriebsbestimmungen. Geht es bei den Einsätzen dieser Art allerdings ganz konkret um den Erhalt von Menschenleben, darf der verantwortliche Luftfahrzeugführer im Rahmen einer Güterabwägung im Einzelfall von den Flugbetriebsbestimmungen abweichen (z.B. Unterschreitung der Mindestflughöhen) [FLI98].
Abbildung 1.3: Charakteristische Flugphasen einer SAR Mission
Betrachtet man eine SAR Mission im Ganzen, läßt sich feststellen, daß ein Helikopterrettungsflug eine Mischform der verschiedenen Missionstypen darstellt. Wie in Abbildung 1.3 dargestellt, können drei mögliche Flugverfahren identifiziert werden. Zu Beginn eines Rettungsfluges befindet sich ein SAR-Helikopter meist auf seiner Basis. Nach Erhalt eines Notrufes begibt er sich an die Unfallstelle. In Abhängigkeit von der Länge des Anfluges fliegt der Helikopter sofort nach Sichtflugregeln (VFR) im unkontrollierten Luftraum oder der erste Teil des Fluges erfolgt im kontrollierten Luftraum. Je nach Luftraumklasse finden Verfahren des Instrumentenfluges (IFR), und bzw. oder des Sichtfluges (VFR), Anwendung. Ist der Einsatzort schließlich erreicht, werden die geltenden Mindestflughöhen unterschritten und der Helikopter begibt sich bis zur Landung in einen Tiefflug. Ist die Bergung des Opfers erfolgt, fliegt der Rettungshubschrauber in eine geeignete Unfallklinik. In Abhängigkeit des Weges, der Art der Erkrankung des Opfers sowie der Art des Landeplatzes an der Klinik, wird sich der Pilot primär des Sichtfluges bedienen. Nach Übergabe des Patienten kehrt der Helikopter an seine Basis zurück. Sofern der Helikopter eine IFR Zulassung besitzt, ist zu erwarten, daß diese Phase der Überführung im kontrollierten Luftraum durchgeführt wird.
Es zeigt sich also, daß eine SAR Mission einen sehr heterogenen Charakter aufweist, der alle oben beschrieben Missionstypen beinhaltet.
1.3. 9BStruktur der vorliegenden Arbeit
1.2.4 Diskussion
Betrachtet man alle vorgestellten Missionstypen wird deutlich, daß Start und Landung stets einen zentralen Teil aller vorgestellten Operationen darstellen. Das Starten wie auch das Landen eines Flugzeuges implizieren immer, daß es zu einer gewollten bodennahen Flugbewegung kommt, bei der auf jeden Fall eine Kollision mit dem darunterliegenden Gelände vermieden werden soll. Bei einigen Flugvorgängen, wie etwa dem Fliegen im kontrollierten Luftraum, ist es ein Bestreben, diese kritische Flugphase möglichst auf einen kurzen Zeitraum zu begrenzen. Ziel ist es, möglichst schnell die Reiseflughöhe zu erreichen, bei der eine Geländekollision keine akute Bedrohung darstellt. Bei anderen Missionsarten hingegen, wie beispielsweise beim Tiefflug, dem Geländefolgeflug oder bei SAR Einsätzen, ist es ein zentraler Bestandteil des Unternehmens, den Flugkörper möglichst nah über dem Boden zu bewegen und auch dabei eine Kollision zu verhindern. Egal wie lange sich das Flugzeug in der Nähe des Bodens aufhält, ist es für alle Missionsarten eine absolute Notwendigkeit, möglichst genaue Informationen hinsichtlich der eigenen Position im umgebenden Gelände zu erlangen, um das Gelingen der Mission sicherzustellen. Ist hierbei die Sicht zusätzlich durch schlechtes Wetter oder tageszeitbedingt beeinträchtigt, können digitale Höheninformationen das Situationsbewußtsein der Cockpitbesatzung deutlich erhöhen.
Sind auch die hier vorgestellten Missionstypen hinsichtlich ihrer Zielsetzung zum Teil doch sehr verschieden, so haben sie doch alle das gemeinsame Bestreben, sofern es zu einer Annäherung an den Boden kommt, eine Kollision mit diesem auf jeden Fall zu vermeiden. Aus diesem Grund wurden eine Vielzahl an Systemen und Verfahren entwickelt, die sich zum Ziel gesetzt haben, sowohl bei der Flugplanung wie auch bei der Flugdurchführung dieses Risiko zu minimieren, wenn nicht sogar auszuschließen. Grundlage für ein erfolgreiches Operieren stellt allerdings zu einem großen Teil die verwendete Datenbasis dar. Doch drängt sich hier die Frage nach der Verfügbarkeit wie auch der Qualität des Datenmaterials auf. Aus diesem Grund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Analyse und Bewertung von digitalen Höheninformationen sowie ihrem Potential hinsichtlich einer Anwendung in sicherheitskritischen Flugphasen.
1.3 Struktur der vorliegenden Arbeit
Zu Beginn der vorliegenden Untersuchung werden die Eigenschaften und Charakteristika von digitalen Höhenmodellen beschrieben. Von besonderem Interesse sind hierbei die Darstellungsweisen von digitalen Höheninformationen hinsichtlich ihrer Abbildung der Erdoberfläche. Nachfolgend wird die Funktionsweise wie auch das Potential der wichtigsten Generierungsmethoden beschrieben. Schließlich erfolgt eine Vorstellung der Organisations-formen von elektronischen Geländedaten. Am Ende dieses Abschnittes erfolgt eine Beschrei-bung der Erdmodelle und Bezugssysteme. Ebenfalls werden in der Luftfahrt verwendete Referenzsysteme vorgestellt.
Anschließend werden die wichtigsten Anwendungsgebiete von Geländedaten in der Luftfahrt betrachtet. Zuerst werden anerkannte und verbindliche Standards der RTCA/EUROCAE sowie der ICAO hinsichtlich ihrer Geltungsbereiche sowie der dort beschriebenen Anfor-derungen erläutert und diskutiert. Der Vorstellung der maßgeblichen Spezifikationen angeschlossen, werden die wichtigsten Anwendungsbereiche sowie die Notwendigkeit von entsprechenden Höheninformationen dargelegt.
Basierend auf den vorangegangenen Darstellungen über die Notwendigkeit von digitalen Höheninformationen hoher Genauigkeit und Integrität für Luftfahrtanwendungen, wird schließlich ein Konzept zur Modifikation von Höhendaten beschrieben. Mit diesem ist es möglich, Geländedatensätze so zu modifizieren, daß diese den Anforderungen bestimmter Anwendungsgebiete genügen, ohne daß die ursprünglichen Datensätze die notwendige
Qualität aufweisen. Nach einer Erläuterung der Verfahrensweise werden die untersuchten Geländemodelle, die Untersuchungsgebiete sowie die betrachteten Einflußfaktoren beschrie-ben. Danach erfolgt eine Beschreibung der notwendigen Verfahren zur Bewertung von Geländemodellen wie auch der dazugehörigen Qualitätsparameter.
Anschließend wird die Realisierung der Untersuchung vorgestellt. Diese beinhaltet die Anpassung der Formate der zu untersuchenden Datensätze wie auch die Verifikation der Referenzdaten. Basierend auf den ermittelten Qualitätsparametern dieser Arbeitsschritte resultiert die Analyse der zu bewertenden Höhenmodelle. Dieser Analysevorgang erfolgt zum einen für komplette Datensätze, zum anderen werden in einem zweiten Schritt bestimmte Einflußfaktoren separat betrachtet, um die Auswirkungen bestimmter Randbedingungen detailliert quantifizieren zu können. Beruhend auf diesen Erkenntnissen erfolgt schließlich die Definition der „Safety Buffer“, die zum Erreichen der angestrebten Genauigkeit notwendig sind. Diese werden schließlich auf die zu untersuchenden Höhenmodelle gelegt und die modifizierten Datensätze erneut verifiziert.
Zuletzt wird eine abschließende Bewertung der Ergebnisse hinsichtlich einer Eignung für Luftfahrtanwendungen vorgenommen. Hierbei wird sowohl die Anwendbarkeit der originalen wie auch der modifizierten Höhenmodelle darlegt. Ferner wird das angewendete Verfahren hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit aber auch seiner Defizite diskutiert. Verbesserungen der Methodik für zukünftige Untersuchungen werden vorgestellt.
Geschlossen wird die hier vorgestellte Untersuchung mit einer kurzen Zusammenfassung und einem Ausblick auf eine mögliche Nutzung der Resultate für zukünftige Datensätze und Anwendungsgebiete.
2 Digitale Höhenmodelle
Digitale Höhenmodelle (DHM), englisch Digital Elevation Model (DEM) genannt, dienen zur Darstellung von dreidimensionalen Höheninformationen der Erdoberfläche (siehe Abbildung 2.1), wobei sich die verfügbaren Informationen meist auf die Bereiche des Festlandes beschränken. Zur Gewinnung solcher Höhendaten kommen sowohl Methoden der terrestrischen Vermessung als auch der Fernerkundung zum Einsatz. Je nach Art der angewandten Generierungsmethode, können Geländedaten verschiedene Repräsentationen der Erdoberfläche wiedergeben. Hierbei kann prinzipiell zwischen Oberflächenmodellen und Geländemodellen unterschieden werden. Ferner können digitale Höhendaten auf unterschiedliche Weise gespeichert bzw. dargestellt werden.
Abbildung 2.1: Beispiel eines digitalen Höhenmodells [RTC05a]
Um die Komplexität von Geländedaten sowie die zu berücksichtigenden Aspekte bei deren Nutzung darzulegen, sollen im Folgenden alle relevanten Eigenschaften von digitalen Höhenmodellen eingehend erläutert werden.
2.1 Darstellungsweisen eines DHM
Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Digitalen Höhenmodellen (DHM bzw. DEM): Zum einen das „Digitale Geländemodell“ (DGM) und zum anderen das „Digitale Oberflächenmodell“ (DOM). Allerdings stellen diese Geländedarstellungsweisen Idealformen dar und können in Abhängigkeit von der Generierungsmethode durchaus erheblich von der Realität abweichen.
Werden die Höheninformationen mittels Methoden der Fernerkundung gewonnen, die mit Ausnahme der Photogrammetrie mit aktiven Sensoren arbeiten, kann je nach Oberflächeneigenschaft der Erdbedeckung ein Eindringen bzw. Reflektieren der ausge-sendeten Strahlung erfolgen. Diese Tatsache führt dazu, daß eine dritte Darstellungsform identifiziert werden kann: das „Digitale Höhenmodell als reflektierte Oberfläche“ [RTC05a]. Abbildung 2.2 zeigt eine Übersicht der drei verschiedenen Geländedarstellungsformen, die nachfolgend im Detail beschrieben werden.
Abbildung 2.2: Darstellungsformen von Digitalen Höhenmodellen
2.1.1 Digitale Geländemodelle (DGM)
Digitale Geländemodelle, im englischen Digital Terrain Model (DTM) genannt, stellen die Oberfläche der Erde ohne jegliche Bedeckung dar (siehe Abbildung 2.3 a.). Das heißt, es wird die nackte Erdoberfläche ohne Bebauung und Vegetation wiedergegeben [RTC05a]. Diese Form der Geländedarstellung ist oftmals ein Produkt der terrestrischen Vermessung. Solche Höhenmodelle können beispielsweise durch die Digitalisierung von Höhenlinienkartierungen gewonnen werden. Heutzutage gewinnen jedoch auch hier fernerkundliche Vermessungs-techniken an Bedeutung.
a.) DGM b.) DOM
Abbildung 2.3: Digitale Geländemodelle
Diese Geländedarstellungsform ist für die Luftfahrt von untergeordnetem Interesse, da Hindernisse wie Vegetation und Bebauung nicht durch den Datensatz wiedergegeben werden. Wird ein solcher Datensatz in der Luftfahrt verwandt, ist die Verfügbarkeit von Hindernis-daten (engl. Obstacle Data) unabdingbar.
2.1.2 Digitale Oberflächenmodelle (DOM)
Eine weitere Form der Darstellung von elektronischen Höhenmodellen ist das Digitale Oberflächenmodell (DOM). In einem DOM ist idealerweise die Erdoberflache mitsamt seiner Bedeckung abgebildet (siehe Abbildung 2.3 b.). Zur Veranschaulichung stelle man sich ein über die Erdoberfläche gelegtes Tuch vor [RTC05a]. Könnte eine entsprechende
Gelände-2.1. 10BDarstellungsweisen eines DHM
datenbank in der Praxis bereitgestellt werden, bildete diese sicher die optimale Daten-grundlage für Luftfahrtanwendungen. Insofern Hindernisse in der Geländedatenbank erfaßt wären, müßte keine zusätzliche Hindernisdatenbank mitgeführt werden. Um allerdings jedes Hindernis in einer Geländedatenbank abbilden zu können, müßte die Auflösung der Daten so hoch sein, daß eine Verarbeitung und Verwaltung der Datenmenge mit heutigen Rechner-systemen nicht möglich wäre. Zum anderen müßte eine exakte Vermessung der wirklichen Oberfläche des Geländes durchgeführt werden. Da allerdings bis heute keine automatisierten Verfahren zur Verfügung stehen, die dieses hohe Maß an Genauigkeit erfüllen, wäre dies mit einem enormen Aufwand und erheblichen Kosten verbunden. Demnach dürfte ein entsprechendes Verfahren an der Umsetzbarkeit sowie einer eingeschränkten Praxis-tauglichkeit scheitern.
Eine geeignete Generierungsmethode zur Erstellung eines Datensatzes mit hoher Genauigkeit stellt beispielsweise die Stereo-Photogrammetrie dar, wobei diese aufgrund ihrer enormen Arbeitsintensität nur für begrenzte Bereiche sinnvoll eingesetzt werden kann. Vor diesem Hintergrund erscheint es notwendig, Generierungsmethoden zu identifizieren, welche den Anforderungen eines DOM gerecht werden aber dennoch für die Erstellung von Datensätzen größerer Bereiche geeignet sind [HEK05].
2.1.3 Digitales Höhenmodell als reflektierte Oberfläche
Zur Erstellung eines Geländedatensatzes, welches ein DOM wiedergeben soll, werden sinnvollerweise auf Fernerkundung basierende Vermessungstechniken angewandt. Diese erlauben einen Blick von oben auf die Erdoberfläche und ermöglichen somit eine Geländeaufnahme samt Oberflächenbedeckung. Neben dem bereits erwähnten Verfahren der Stereo-Photogrammetrie, welches mit einem passiven Sensor (Kamera) arbeitet, finden Vermessungstechniken Einsatz, die mit aktiven Sensoren arbeiten. Hierbei sind Methoden der Radarvermessung und des Laserscannings von besonderer Bedeutung.
Allerdings wirkt sich bei Vermessungsmethoden, die auf aktiven Sensoren basieren, nach-teilig aus, daß diese zum einen die zu vermessende Oberfläche penetrieren, zum anderen von den aufgenommenen Oberflächen reflektiert werden [Alb01] [RTC05a].
Daneben hat die Reflektionseigenschaft der Oberflächen einen signifikanten Einfluß auf den Generierungsprozeß von digitalen Geländemodellen unter der Verwendung von aktiven Sensoren. Je nach Rauhigkeit des aufgenommenen Geländeabschnittes wird die ausgesendete Strahlung reflektiert und die Intensität des Rücklaufes bestimmt [Alb01].
Abbildung 2.4: Datenlücken und Störungen in SRTM X-Band Geländedaten
Betrachtet man diese Faktoren, läßt sich erkennen, daß bei der Aufnahme eines digitalen Höhenmodells mit Hilfe von aktiven Sensoren weder ein DGM noch ein DOM ohne eine entsprechende Korrektur der Daten bereitgestellt werden kann. Vielmehr handelt es sich bei diesen Datensätzen um ein Abbild der reflektierten Oberfläche. Somit muß bei der
Beschreibung von digitalen Höhenmodellen eine dritte Form der Geländedarstellung eingeführt werden: das DHM als reflektierte Oberfläche, welches eine Art Mischform eines DGM und DOM darstellt [May01].
Abbildung 2.4 zeigt Datenlücken und Störungen in SRTM X-Band Geländedaten wie sie ohne Korrektur von dem Radarsensor aufgezeichnet wurden. Hierbei läßt sich erkennen, daß die Reflektionseigenschaften der aufgenommenen Oberfläche direkt mit der Qualität und Vollständigkeit der Höheninformationen in Zusammenhang stehen.
2.2 Generierungsmethoden
Digitale Höhenmodelle können mit Hilfe verschiedener Verfahren erfaßt werden. Die gängigsten Verfahren sind nach [May01] hierbei:
• Erfassung über Luft-/ Satellitenbilder (Stereo-Photogrammetrie) • Erfassung über SAR (Synthetic Aperture Radar) Interferometrie • Laserscanning
• Erfassung über Kartenscanverfahren
Während Verfahren wie das Kartenscanverfahren zunehmend an Bedeutung verlieren, werden Techniken der Fernerkundung wie Laserscanning oder SAR-Interferometrie immer bedeutsamer.
Nachfolgend werden die Eigenschaften und Techniken der verschiedenen Generierungs-methoden im Einzelnen beschrieben.
2.2.1 Erfassung über Luft-/ Satellitenbilder (Stereo-Photogrammetrie)
Die Methode der Stereo-Photogrammetrie ist seit Anfang der 1980er Jahre ein weit verbreitetes Verfahren, um digitale Höhenmodelle größerer Bereiche mit hoher Genauigkeit und im Vergleich zu Verfahren der terrestrischen Vermessung guter Wirtschaftlichkeit zu generieren. Zum Einsatz kommen hierbei sowohl Verfahren operatorgestützter visueller Auswertungen sowie halb- oder vollautomatische digitale Bildauswertungs- und Generierungsprozesse [May01] [Wie06]. Als Photogrammetrie bezeichnet man das Verfahren, Luftbilder in ihrer räumlichen Geometrie auszuwerten und in einen Bezug zu den tatsächlichen Koordinaten eines geographischen Bezugssystems zu bringen [Alb01].
2.2.1.1 Eigenschaften von Luft-/Satellitenbildern
Basis für die Generierung der Geländedaten sind stereoskopische Luftbildaufnahmen, die anhand von Flugzeugüberfliegungen oder Satelliten gewonnen werden. Luft- und Satellitenbilder nehmen Strahlung im sichtbaren Licht (etwa 0,4 - 1μm) sowie im nahen Infrarot (bis 2,5 μm) auf [Alb01]. Vorteilhaft an der Aufnahmetechnik von Luftbildern ist, daß das Aufnahmemedium (der Film) auch gleichzeitig das Speichermedium ist, was gegenüber anderen nachfolgend vorgestellten Systemen zu einer gravierenden Kosten- und Platzersparnis führt.
Um alle notwendigen Informationen des Bildproduktes bereithalten zu können, werden bei der Belichtung des Luftbildes die Rahmenmarken der Luftbildkamera mit auf dem Luftbild abgebildet, um das physikalische Projektionszentrum zu definieren. Werden die gegenüberliegenden Rahmenmarken (Fiducial Marks) miteinander verbunden, ergibt der Schnittpunkt den optischen Mittelpunkt des Luftbildes, den Hauptpunkt (Principle Point) [Wei83].
Um die auf dem Bild vorhandenen Informationen optimal nutzen zu können, müssen die Aufnahmen senkrecht nach unten zur Flugrichtung aufgenommen werden. Klassische Luftbilder besitzen daher durch die optischen Eigenschaften des Linsensystems eine
2.2. 11BGenerierungsmethoden
Objektivmitte liegender Punkt auf der Erdoberfläche. Entsprechend ist der photographische Nadir definiert als Schnittpunkt einer vertikalen Verbindungslinie vom Nadirpunkt am Boden durch die Objektivmitte auf die Bildebene (vgl. Abbildung 2.5) [Cam96].
Abbildung 2.5: Geometrie einer Senkrechtaufnahme [Cam96])
Für alle Bildbereiche außerhalb des Nadirs kommt es zu einer Reliefverschiebung, die auffälligste Quelle für Lagefehler in Luftbildern. Ursache für die Reliefverschiebung ist die zentralperspektivische Darstellung des optischen Systems einer Kamera. Objekte, die sich direkt unter dem Mittelpunkt der Kamera befinden, werden nur mit ihrer Oberfläche auf dem Luftbild dargestellt. Weiter außen liegende Objekte werden so abgebildet, daß man sowohl ihre Oberfläche als auch ihre Seiten erkennen kann. Dieses Kippen tritt radial um den Nadirpunkt auf und verstärkt sich mit zunehmender Entfernung vom Nadirpunkt und mit der Objekthöhe (siehe Abbildung 2.6).
Reliefverschiebung [Cam96] Differentialentzerrung [Alb01]
Abbildung 2.6: Reliefverschiebung und Differentialentzerrung von Luftbildern
Die Reliefverschiebung ist ebenfalls von der Flughöhe und der Brennweite abhängig. Je größer die beiden Faktoren sind, desto geringer ist die Verschiebung. Demnach hat das Originalbild keinen einheitlichen Maßstab. Die negativen Auswirkungen der
Zentralperspektive können durch die Umbildung des Originalbildes in ein Bild mit Parallelprojektion (Orthogonalprojektion) beseitigt werden. Hierzu ist das Vorhandensein eines digitalen Geländemodells unerläßlich, steht die Reliefverschiebung doch auch immer im Zusammenhang mit der Geländehöhe. Das durch die sogenannte Differentialentzerrung entstandene Produkt wird als „Orthophoto“ bezeichnet (siehe Abbildung 2.6) [Cam96] [Alb01].
2.2.1.2 Stereoskopische Auswertung
Vergleicht man zwei Aufnahmen derselben Oberfläche, die aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen wurden, so erkennt man eine Verschiebung der Lage von gleichen Objekten in beiden Bildern. Diese Lageverschiebung wird als Stereoparallaxe bezeichnet. Die Stereoparallaxe verringert sich mit abnehmender Entfernung des Objektes zum Beobachter und kann daher als Grundlage zum Messen von Entfernungen oder bei Senkrechtaufnahmen zum Messen der Höhe von Objekten verwendet werden. Fixiert man zwei aufeinander-folgende Luftbilder mit mindestens 50% Überlappung auf einer Oberfläche, so läßt sich die Höhe wie folgt manuell berechnen,
dp P dp H h + = * (2.1)
wobei H die Flughöhe, dp das Differential der Parallaxe von A-B, P die Differenz von X und Y und h die Objekthöhe bedeutet [Cam96].
Abbildung 2.7: Berechnung der Höhe eines Objektes aus der Stereoparallaxe [Cam96]
Das Prinzip des stereoskopischen Sehens beruht auf der Fähigkeit des menschlichen Gehirns, ein Objekt, das aufgrund des Augenabstandes aus unterschiedlichen Positionen und aus unterschiedlicher Entfernung gesehen wird, zu einem räumlichen, dreidimensionalen Gegenstand zu verarbeiten. Bei der Betrachtung mit einer sogenannten „Shutter Brille“ werden auf dem Monitor die beiden ungleichen Bildpaare übereinander gelegt. Ein Infrarotsensor auf dem Monitor sendet an diese „aktive“ 3D-Brille Signale, in deren Rhythmus sie abwechselnd das rechte und das linke Auge verdunkelt. Bei diesem auch als „stereo in a window“ bezeichneten Verfahren werden abwechselnd die beiden unterschiedlichen Perspektiven gesehen und man erhält einen räumlichen Eindruck. Im Gegensatz dazu werden beim „passiven Anaglyphen-Verfahren“ zwei Bilder mit einem bestimmten Überlappungsbereich in Komplementärfarben (meist rot/grün) übereinander projiziert. Betrachtet man hierbei die komplementärfarbigen Doppelbilder durch eine Brille mit Lichtfilter in den gleichen Komplementärfarben, so sieht jedes Auge nur das zur Filterfarbe komplementäre Bild, das gleichfarbige hingegen wird ausgelöscht. Im gemeinsamen Sehvorgang beider Augen entsteht das Raummodell [KW94].
2.2. 11BGenerierungsmethoden
Verschiedene Bedingungen und Verhältnisse können die stereoskopische Visualisierung und Auswertung jedoch beeinträchtigen oder verhindern:
• uneinheitliche Flughöhe zwischen den Aufnahmen (Maßstabsunterschiede)
• große Unterschiede in der äußeren Orientierung der Bilder aufgrund unterschiedlicher Aufnahmewinkel
• fehlerhafte oder ungenaue innere Orientierungswerte verursachen große Parallaxen-unterschiede
Aber auch nur ein geringes Auftreten der genannten Punkte kann das stereoskopische Sehen beeinträchtigen. Diese Beeinträchtigungen treten dann jedoch nur bei sehr starkem Hineinzoomen in die Bildpaare auf. Ein Zoomlevel von 1:2 bietet häufig die besten Ergebnisse [KW94].
2.2.1.3 Akquisition des Bildmaterials
Zur Bestimmung des Höhenwertes einer Koordinate (entspricht einem Bildpunkt mit x-y-Wert), muß für die stereoskopische Auswertung die reale Erdoberfläche aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen werden. Die daraus resultierende Stereo-Parallaxe je Bildpunkt ermöglicht anschließend die Berechnung des zugehörigen Höhenwerts [Cam96].
Die meisten Luftbilder für zivile Nutzungen werden mit metrischen Kameras aufgenommen. Sie erzeugen qualitativ hochwertige Bilder mit minimaler optischer und geometrischer Verzerrung. Damit der Film auf der Bildebene völlig eben aufliegt, wird er durch ein Vakuum angesaugt.
Abbildung 2.8: Stereobildflüge [LK87]
Meist beschränkt sich das Interesse jedoch nicht nur auf ein Gebiet, das auf einem einzelnen Luftbild abgebildet ist. So wird es nötig, eine flächenhafte Aufnahme von Luftbildern durchzuführen. Hierzu werden flugzeuggestützte Luftbildbefliegungen durchgeführt. Luftbildbefliegungen werden unterschieden in Einzelbefliegungen, Blockbefliegungen und Streifenbefliegungen, wobei Block- und Streifenbefliegungen das Generieren von Stereobildern erlauben (siehe Abbildung 2.8) [LK07].
Hierzu werden Einzelbilder mit einer Überlappung von 60% erzeugt. Sobald die Überlappung größer als 50% ist, ist der optische Bildmittelpunkt (Principle Point) des vorherigen Bildes auf dem neuen Bild mit abgebildet. Bei einer flächenhaften Befliegung wird mit mindestens 30% Seitenüberlappung der Bilder geflogen, um den Zusammenhalt des Bildmaterials durch möglichst viele identische Gebiete auf den Bildern zu gewährleisten. So können Streifen zur Blockbildung in Bezug zueinander gesetzt werden und stereoskopisch ausgewertet werden (vgl. Abbildung 2.8) [LK07].
Abhängig von der Art der Anwendung sind bei der Luftbildaufnahme sowohl Zeit- wie auch Wetterbedingungen zu beachten. Beispielsweise kann je nach Fragestellung von Interesse sein, ob die Belaubung der Bäume gewünscht wird. Somit wird die Wahl der Jahreszeit zu einem zu berücksichtigenden Faktor. Die Wetterbedingungen betreffend, ist ein klarer Himmel (max. 2/8 Bewölkung) oder diffuses Licht unter geschlossener hoher Wolkendecke von Vorteil. Dabei sind Letztere nur im Sommer möglich und nur gelegentlich für Stadtbefliegungen gewünscht, um den Schattenwurf zu minimieren. Dafür ergeben sie relativ kontrastschwache Bilder. Die bevorzugte Befliegungsrichtung ist wegen der einheitlichen Beleuchtung von West nach Ost [KW94].
2.2.1.4 Digitalisierung des Bildmaterials
Die aufgezeichneten Luftbilder werden schließlich digitalisiert. Zur Digitalisierung werden hochpräzise photogrammetrische Luftbildscanner benutzt. Damit keine Information verloren geht, wird das Digitalisierungsintervall dem Auflösungsvermögen des analogen Bildes angepaßt. Das Auflösungsvermögen (AV) wird in Linienpaaren/mm (LP/MM) angegeben. Damit ergibt sich nach [KW94] ein Digitalisierungsintervall ΔD [mm] von:
AV D * 2 1 ≤ Δ (2.2)
Zur interaktiven visuellen Identifizierung von Hindernisdaten sind Bodenauflösungen von 0,2 m ausreichend. Dies entspricht bei einem Bildmaßstab von 1:10.000 einem Digitali-sierungsintervall von 20 μm [FSL01].
Die Genauigkeit, die mit der Photogrammetrie erreicht werden kann, ist ebenfalls direkt davon abhängig, wie exakt Paßpunkte bestimmt werden können. Dies wiederum ist, abgesehen von der Genauigkeit der Paßpunkte, von der Luftbildqualität und auch von der Erfahrung des Stereobildauswerters abhängig. Er muß den Cursor im Objektmodell in Übereinstimmung mit der Oberfläche des zu messenden Objektes bringen. Die Genauigkeit, mit der das möglich ist, hängt sehr von der Auflösung des analogen Luftbildes und des Digitalisierungsintervalls ab. Auflösung unterscheidet man in spektrale Auflösung (die Fähigkeit des Sensors verschiedene Wellenlängen des radiometrischen Spektrums aufzeichnen zu können), radimetrische Auflösung (die Fähigkeit des Sensors die Intensität des spektralen Wellenbereiches aufzeichnen zu können) sowie die analoge Auflösung (die Fähigkeit eines Sensors das kleinstmögliche Objekt darstellen zu können bzw. die maximal mögliche Anzahl an Linienpaaren einer Filmemulsion oder eines elektrischen Sensors) [KW94].
Weiterhin wichtig ist der geometrische Lagefehler beim Scannen, die relative horizontale und vertikale Streifengenauigkeit, die Definitionssicherheit natürlicher Paßpunkte sowie der Lagefehler beim Einmessen der Paßpunkte [FSL01].
2.2.1.5 Orientierung des Bildmaterials
1.) Innere Orientierung
Die innere Orientierung ermöglicht die Transformation der gescannten Luftbilder auf die Koordinaten der Kamera-Rahmenmarken. Im optimalen Fall bestimmen die Brennweite (Kammerakonstante c) und die Koordinaten des Hauptpunktes die innere Orientierung eines Bildes. Zur physischen Definition des Bildkoordinatensystems und des zugeordneten Projektionszentrums werden auf dem Luftbild Rahmenmarken (Fiducial Marks) abgebildet. Der Schnittpunkt der Rahmenmarken wird als Bildhauptpunkt (Principle Point) bezeichnet. Die innere Orientierung wird dadurch hergestellt, daß man die gemessenen Ist-Koordinaten der Rahmenmarken auf deren kalibrierte Sollkoordinaten transformiert und dadurch die regelmäßigen Anteile der Bilddeformation wieder aufhebt [KW94].
2.2. 11BGenerierungsmethoden
2.) Äußere Orientierung
Die äußere Orientierung bewerkstelligt die Transformation der Bildkoordinaten auf Objekt-(Grund-)Koordinaten. Durch Herstellung der äußeren Orientierung soll über eine Gleichung die Beziehung zwischen (bereinigten) Bildkoordinaten und der Lage des Bildinhalts in einem Landeskoordinatensystem hergestellt werden [KW94]. Da die Parameter der äußeren Orientierung während des Bildfluges in der Regel nicht mit genügender Genauigkeit ermittelt werden können, bietet sich die indirekte Bestimmung über Paßpunkte an, von denen die Bild- und Objektkoordinaten bekannt sein müssen. Ihre Bildkoordinaten müssen visuell ermittelt und den entsprechenden Objektkoordinaten zugeordnet werden, indem man sie interaktiv in überlappenden Bildern lokalisiert und einmißt. Zusätzlich werden in den Bildern Verknüpfungspunkte, sogenannte „Tiepoints“ bestimmt, um die Bilder untereinander in Beziehung zu bringen.
Die 6 Parameter der äußeren Orientierung sind: Die Objektkoordinaten des Aufnahmeortes O(X0, Y0, Z0) sowie 3 Drehungen der Bilder (Längsneigung ξ, Querneigung ω, und Kantung
η) mit O= Projektionszentrum, P= Objektpunkt, P`= Bildpunkt, H= Bildhauptpunkt, M= Bildmittelpunkt, c= Kamerakonstante (siehe Abbildung 2.9) [KW94].
Abbildung 2.9: Zusammenhang zwischen Bild- und Objektkoordinaten [KW94]
Die äußere Orientierung kann unterschieden werden in eine relative und eine absolute Orientierung.
Die relative Orientierung rekonstruiert die gegenseitige räumliche Lage der Strahlenbündel von Bildpaaren. Wenn dies erreicht ist, schneiden sich alle einander entsprechenden (homologen) Projektionsstrahlen und bilden in ihrer Gesamtheit ein räumliches (Stereo-) Modell des betreffenden Geländeabschnittes. Im mathematischen Sinne ist das Bildpaar nach der relativen Orientierung dem Gelände ähnlich, weist also dieselbe Form auf, allerdings ist der Maßstab noch zufällig. Außerdem nimmt das Modell eine beliebige, meist leicht schräge Lage im Raum ein. Deshalb wird das Stereomodell schließlich durch die absolute
Orientierung mit Hilfe von Paßpunkten auf den angestrebten Maßstab und in die richtige
Lage im Raum gebracht [Alb01].
Um die Bildkoordinaten in ein geographisches Bezugssystem zu überführen, kommt bei der absoluten Orientierung dem Einmessen von Paßpunkten eine besondere Bedeutung zu. Von der Genauigkeit der Objektkoordinaten und der Bildkoordinaten hängt die Genauigkeit der äußeren Orientierung entscheidend ab. Als Paßpunkte können vor dem Bildflug markierte Punkte und gut zu identifizierende natürliche Punkte genutzt werden. Die höchste Genauigkeit erhält man mit Signalpunkten wie beispielsweise der Markierung eines großen
weißen Kreuzes auf der Strasse, dessen Koordinaten man vor Ort vermessen kann. Das Ergebnis wird um so genauer, wenn der Signalpunkt nur aus den Koordinaten x und y besteht, da dann keine Verzerrung oder windbedingtes Wegkippen wie bei Baumspitzen, auftreten kann. Die Breite und Farbe der Paßpunkte sollte in Abhängigkeit vom Kontrast der Umgebung und der Flughöhe des Bildflugs gewählt werden [KW94]. Natürliche Paßpunkte müssen auf dem Bild eindeutig zu identifizieren sein. Linienförmige Kreuzungen, Kanal-deckel, Gebäude- oder Feldecken bieten sich bei großen Maßstäben an.
Die Verteilung und Anzahl der Paßpunkte auf einem Bild ist abhängig von der Anzahl und Lage der Bilder, die orientiert werden sollen (Einzelbild, Zweibild, Streifen oder Blöcke). Es gilt jedoch, ein Minimum von drei Paßpunkten pro Bildverband einzubeziehen, die nicht linear angeordnet sein sollten. Vergleichbar mit einem Tisch, der auch auf mindestens drei Füßen stehen muß, sollte das Bild möglichst in jeder Ecke „Halt“ haben. Mehr Kontrollpunkte als minimal erforderlich erhöhen die Genauigkeit bzw. den Halt. In der Regel mißt man Nester von zwei Paßpunkten, um Fehlmessungen identifizieren zu können. Nach [KW94] sollten bei Blockverbänden die Paßpunkte auf dem Blockrand liegen; er zieht aus Untersuchungen zur Lagegenauigkeit der Blockausgleichung mit unabhängigen Modellen den Schluß, daß Paßpunkte im Blockinneren keine nennenswerte Genauigkeitssteigerung bringen. Zur Genauigkeitssteigerung kann der Blockrand aber dichter mit Paßpunkten besetzt werden.
Abbildung 2.10: Optimale Verteilung von Paßpunkten [FSL01]
Am besten sind auf dem Luftbild streng geometrische Formen oder Markierungen wie Straßenmarkierungen oder Kanaldeckel auszumachen. Daher bietet es sich an, bereits vor der Befliegung Signalmarkierungen auf dem Erdboden anzufertigen, die dann bei der äußeren Orientierung als Paßpunkte verwendet werden können.
Die Genauigkeit der Paßpunkte errechnet sich nach [KW94] in Abhängigkeit von Bildmaßstab, Aufnahmehöhe sowie einer sogenannten „Definitionsunsicherheit“. Die Definitionsgenauigkeit natürlicher Objekte lautet dabei wie folgt:
Tabelle 2.1:Definitionsgenauigkeit natürlicher Objekte [KW94]
Punktart Definitionsunsicherheit der Lage Definitionsunsicherheit der Höhe
Haus- und Zaunecken 7-12 cm 8-15 cm
Kanaldeckel oder
Fahrbahnmarkierungen 4-6 cm 1-3 cm
Feldecken 20-100 cm 10-20 cm
2.2. 11BGenerierungsmethoden
3.) Vertikale und horizontale Genauigkeit
Die absolute vertikale und horizontale Genauigkeit setzt sich folgendermaßen zusammen: • Geometrische Lagefehler beim Scannen
• Relative horizontale und vertikale Streifengenauigkeit • Definitionssicherheit natürlicher Paßpunkte
• Lagefehler beim Einmessen der Paßpunkte
Nach [FSL01] kann der scannerbedingte Lagefehler mit 1µ angenommen werden. Demnach ergeben sich für die relative horizontale Genauigkeit im Streifenmodell folgende Gleichungen: L B S M S n B L S F m F d m + + + = ( *0,000006)² ²* ( * ) , σ σ σ (2.3) mit: = L S,
σ Relative horizontale Genauigkeit im Streifen in Meter = B m Bildmaßstab = M S σ σ / Korrekturfaktor für Streifenmodell = S
F Geometrischer Fehler des Scanners in Meter =
L
F Lagefehler der Paßpunkte aus Meßungenauigkeit =
n
d Definitionsunsicherheit der Lage in Meter, wobei B p n d A m d = * * (2.4) mit: = p
d Definitionsunsicherheit in Pixel, wobei dafür eine 1/3 Pixelgröße angenommen wird [FSL01] = A Digitalisierungsintervall in Meter = B m Bildmaßstab
Für die relative vertikale Genauigkeit im Streifenmodell ergeben sich folgende Gleichungen:
(
)
(
)
L B S M S Z A d F m F S + + + = *0,00006² ²* * Z S, σ σ σ (2.5) mit: = Z S,σ Relative vertikale Genauigkeit im Streifen in Meter
= A S Aufnahmeentfernung in Meter = M S σ σ / Korrekturfaktor für Streifenmodell = S
F Geometrischer Fehler des Scanners in Meter L
F = Lagefehler der Paßpunkte aus Meßungenauigkeit =
z
B p n d A m d = * * (2.6) mit: = p
d Definitionsunsicherheit in Pixel, wobei dafür eine 1/3 Pixelgröße angenommen wird [FSL01] = A Digitalisierungsintervall in Meter = B m Bildmaßstab
2.2.1.6 Automatisches Generieren des Geländemodells
Ein digitales Geländemodell gibt die Erdoberfläche nach Lage und Höhe durch eine Vielzahl von Punkten in digitaler Form wieder. Viele photogrammetrische Arbeitsstationen bieten die Möglichkeit des automatischen Erzeugens eines digitalen Geländebildes aus Stereobildern an. Der Vorgang ist jedoch nach wie vor teilweise interaktiv und sehr arbeitsaufwendig, möchte man zu einer genauen Lösung kommen.
Zur Erzeugung digitaler Geländemodelle wird in einem Gitter mit regelmäßigem Punktabstand (Grid) die Stereoparallaxe an jedem Knotenpunkt gemessen. Die Knotenpunkte bestimmen sich wie schon bei der Erstellung des Stereomodells nach dem „area based
matching“-Prinzip, wobei das System mit Hilfe der Koordinaten die Punkte über eine
Ähnlichkeitstransformation der Pixelwerte untereinander herstellt. In hochauflösenden Geländemodellen sollten Geländekanten und markante Höhenpunkte mitberücksichtigt werden. In der Regel kann man diesen Ansprüchen mit einem regelmäßigen Gitter (GRID) nicht gerecht werden. Um auch linienförmig Objekte, die nicht auf den Gitterkreuzungen liegen, als dreidimensionale Daten aufzeichnen zu können, muß ein anderes Datenmodell benutzt werden: das Triangulated Irregular Network (TIN).
Üblicherweise erfolgt der Prozeß der Geländegenerierung zunächst in einem automatischen Modus „Automatic Terrain Extraction“ (ATE). Dabei hat man die Wahl zwischen zwei Methoden, die das Programm bei der Bild-Korrelation benutzen kann: die adaptive oder die nicht-adaptive. Bei der adaptiven Methode handelt es sich um eine Mischmethode, die auf Gelände angewandt wird, das seine Charakteristika über die verschiedenen Bilder des Bildverbandes ändert, also etwa sowohl flach als auch hügelig oder steil ist. Bei der nicht-adaptiven Methode werden Parameter wie die Hangneigung vom Operator selbst bestimmt. Dieses Verfahren eignet sich vor allem dann, wenn es sich um homogenes Gelände handelt. In der Regel werden mit der adaptiven Methode die besseren Ergebnisse erzielt [Soc00]. Weiterhin ist es möglich, eine Glättung auf das Gelände rechnen zu lassen, welches starke Höhensprünge abschwächt und Unebenheiten eliminiert. Eine Glättung von unebenen Bereichen des zu erstellenden Geländes aufgrund von Fehlinterpretationen des Korrelationsmodells könnte zwar wünschenswert sein, jedoch bietet der automatische Modus keine Kontrolle darüber, ob es sich um „wahre“ Unebenheiten oder die erwähnten Fehlinterpretationen des Korrelationsmodells handelt. Diese Stellen müssen dann später interaktiv beseitigt werden. Daneben kann ein Filter zur Eliminierung von Bäumen und Häusern eingesetzt werden. Diese Methode findet Anwendung, wenn das angestrebte Geländemodell ein DGM darstellen soll [Soc00] [Pau05].
Um die Auflösung des Geländes festzulegen, muß der Stützstellenabstand definiert werden. Dieser beschreibt den Abstand zwischen zwei Punkten, an dem ein Höhenpunkt generiert wird.
Die ATE bestimmt die Höhen durch Messung der X-Parallaxe, also der Verschiebung eines Punktes in einem Bild relativ zur Position desselben Punktes in einem anderen Bild. Dabei wird ein iterativer Algorithmus eingesetzt, der bei einem Verkleinerungslevel kleinen Maßstabes und weiten Stützstellenabstandes beginnt und im weiteren Verlauf beide Parameter
